灌区工程渠系水力学及水面线研究*

袁素勤，雷明慧，郭 猛，李增永

（1.四川水利职业技术学院，四川 成都611231；2.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072；3.重庆泽景霖勘测设计有限公司，重庆401120）

根据灌区规模和灌区高程控制要求，确定武都引水工程二期灌区西梓干渠按九个流量段设计，各流量段具体流量数值见表1。

表1 流量分段表

1 渠道线路布置

根据灌区地形地貌，对干渠、分干渠及支渠、分支渠选线原则进行了如下规定：

（1）渠线设计要经济合理，运行管理方便，安全可靠。

（2）最大程度保证渠道有较好的灌溉性，即在高程上能使大多数灌面尽可能自流灌溉，在平面上尽可能接近灌区，并便于上下级渠道的衔接。

（3）在布置渠道时依据自然和地形条件使线路尽可能顺直，布置傍山渠线应同时考虑工程经济性和可靠性，尽可能减少高边坡开挖与高填方。

（4）在布置渡槽、隧洞、倒虹管等建筑物时，应充分论证其设置必要性，根据工程布置、水头要求、工程占地、环境影响、施工难度及工程投资等因素综合分析选取。

（5）在渠线沿程充分结合已建和规划的囤蓄水库进行渠线布置，做到统筹兼顾。

（6）渠系工程布置还要全面考虑防洪和交叉工程布置，尽可能设置沿渠便民设施以及工程其他综合应用设施[1]。

最终确定西梓干渠全渠总长108.131km，渠首设计流量28.5m3/s，共由66座隧洞（长58.884km），18座渡槽（长6.327km），5座倒虹管（长3.277km）及其间的明渠（长39.643km）组成。

2 确定渠道线路比降

根据西梓灌区灌面的特点，西梓干渠布置应尽量减小渠道的水头损失，以保证下游渠道的灌溉要求。为了满足灌区大多数灌面自流灌溉的要求，占渠线长度较大比例的明渠施工造价低，宜选取较缓的比降，而渠系建筑物单位投资高于明渠，故选取较陡的比降，以降低工程投资。对于渡槽，单位长度投资最大，考虑减轻槽身重量和便于施工，比降应取为最大；干渠上隧洞较多，所占长度比例最大，比降缓于渡槽以节省水头；在深挖方矩形明渠段底坡与隧洞一致的底坡便于结构衔接；各个倒虹管各自具有的沿程、局部等水头损失与渠系纵坡无关，须计算汇总后，加入渠系水力计算和纵断面设计。经水力计算选定渠道及渠系建筑物的比降见表2所示。

3 水力学断面计算

表2 西梓干渠渠系建筑物比降

明渠、隧洞、渡槽的过水能力按明渠均匀流公式计算。

3.1 过水断面设计

根据水能专业提供的渠道流量规模及渠道分段情况按明渠均匀流计算公式计算确定渠道中明渠、渡槽、隧洞所需的过水断面。

式中：Q为流量（m3/s）；ω为过流面积（m2）；C为谢才系数；R为水力半径（m）；i为渠道比降[2]。

根据现行施工工艺水准以及参照类似工程经验，确定明渠糙率采用0.015，隧洞、渡槽糙率采用0.014。

水力半径R=ω/χ，其中χ为湿周。

将谢才系数C和水力半径R代入转换即得过水断面的流量公式如下：

3.2 渠顶超高/隧洞净空/渡槽超高

根据《灌溉与排水工程设计》（GB50288-99）规范[3]，明渠渠顶超高按下式计算：

式中：Fb为明渠超高（m）；hb为渠道通过加大流量时的水深（m）。

隧洞净空根据《灌溉与排水工程设计》（GB50288-99）确定，在恒定流条件下，需满足衬砌隧洞洞内水面线以上的空间不低于隧洞横断面面积的15%，且净空高度不低于0.4m。

干渠除2座渡槽设计为矩形断面型式外，其余16座渡槽槽身均为“U”型薄壳断面型式。根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99）的要求，渡槽槽身高度按槽身通过设计流量时加上槽身直径的1/10确定，并且满足通过加大流量时水面以上的超高距U型槽拉杆底面不小于5～10cm。

4 水面线计算

本干渠按均匀流公式计算设计流量水面线，进而确定沿程渠道、隧洞、渡槽的底高程，并以此渠底高程进行加大流量的非均匀流的水面线计算。

4.1 均匀流水面线计算

（1）沿程水头损失：包括明渠、建筑物等产生的比降损失。

（2）弯道水头损失按下式计算[4]：

式中：ξ为弯道水头损失系数；R为水力半径（m）；b为渠道水面宽度（m）；r为渠道轴线弯曲半径（m）；l为渠弯长度（m）；C为谢才系数。

（3）渠系建筑物进出口渐变段水头损失[5]

式中：V为建筑物断面平均流速（m/s）；V1为建筑物上游渠道断面平均流速（m/s）；V2为建筑物下游渠道断面平均流速（m/s）；ξ1为渐变段进口局部损失系数，直线扭曲面取为0.15；ξ2为渐变段出口局部损失系数，直线扭曲面取为0.4。

（4）预留水头损失

基于后期施工中渠道断面和渠线可能有所调整的工程经验，加上渠线中的分水闸、放水洞及检修梯步等都没有考虑水头损失，故设计时在明渠段上每1km预留2cm水头，不参与水力计算，直接加入计算结果中，作为设计调整备用。

（5）过闸水头损失

干渠在节制闸处需要有水头差才能过流，因此本次计算在节制闸处均考虑15cm水头损失。

4.2 加大流量水面线计算

根据均匀流确定的底板高程，对全渠加大流量进行非均匀流的计算，以确定渠道的超高。计算方法采用分段求和法，其计算公式为[6]：

式中：L为前后断面的间距；i为渠道的底坡；J¯为前后端渠道的平均水力坡度；h1、V1为计算上断面水深及流速；h2、V2为计算下断面水深及流速。

5 结论

在总干渠施工建成后，其总干渠末端西梓分水闸闸后水位为555.85m，即采用555.85m作为西梓干渠起点设计水位。经计算得出的干渠沿程渠道、隧洞、渡槽底高程如表3所示。

表3 西梓干渠水面线推求表